安科瑞 劉邁

　　摘 要：節(jié)能減排對國家和社會都具有重要意義, 民用機場的航站樓是能源消耗大戶, 而耗電量是機場航 站樓的重要節(jié)能指標之一。結合某機場能源管理提升改造工程的實際案例,首先分析航站樓現(xiàn)存能源管理問 題,其次介紹借助智能儀表完善能源管理系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方法和航站樓智能儀表設計方案,再次分析能源管 理系統(tǒng)的功能,最后進行能耗分析,評估智能儀表在航站樓能源管理系統(tǒng)中應用的節(jié)能效果, 以期為相關工程提供參考。

　　關鍵詞：智能儀表；能源管理；節(jié)能減排

　　0 引言

　　某大型國際樞紐機場，隨著旅客量的不斷增加 和服務水平的不斷提高，能源消耗量持續(xù)多年處于高 位運行。2017—2019年該機場 3座航站樓電費、取 暖、冷氣和蒸汽的總費用分別為5.60億元、5.75億元、 5.46億元，其中電費、取暖、冷氣費用占航站樓總能 源費用的 97%，是 3 座航站樓能源消耗的重要支 出。2017—2019年機場航站樓能源費用年平均值為 5.60億元，其中電能消耗占比為 36%，年電能消耗約 為 2.0億元，因此研究航站樓的電能管理水平提升具 有重要的經(jīng)濟意義。

　　1 航站樓現(xiàn)存能源管理問題

　　1.1 末端用電設備無法遠程監(jiān)管

　　（1）航站樓辦公區(qū)域中存在大量的員工私人大 功率用電設備，如電熱水壺、微波爐、電暖氣等，這些 設備未經(jīng)備案，且沒有有效的遠程監(jiān)管手段，給航站 樓帶來很大的安全隱患和能源消耗。

　　（2）航站樓內(nèi)旅客和員工的充電設備眾多，因缺 少智能監(jiān)測設備，導致現(xiàn)有的能源管理系統(tǒng)無法實 現(xiàn)遠程充電管理，經(jīng)常出現(xiàn)過充和亂充電現(xiàn)象，這同 樣帶來了消防安全隱患和能源消耗。

　　（3）航站樓內(nèi)存在私接、亂接電線的現(xiàn)象，并且 這些電線和電氣設備均處于航站樓內(nèi)的隱蔽區(qū)域， 平時檢查不易發(fā)現(xiàn)，極易造成火災，給航站樓帶來重 大安全隱患。

　　總之，航站樓存在大量無法監(jiān)管的末端用電設 備，無法直接通過現(xiàn)有的能源管理系統(tǒng)進行有效的 遠程監(jiān)管，造成用電安全和用電浪費等問題。

　　1.2 空調(diào)、照明系統(tǒng)能源浪費

　　航站樓現(xiàn)有的空調(diào)系統(tǒng)，各機組均為單機運行 控制方式，機組之間沒有進行聯(lián)動。而為了滿足人流 密集區(qū)域供冷要求，大多以大的功率制冷或送風， 這就導致了很多區(qū)域過度供冷，造成嚴重的能源浪 費。同時，目前航站樓內(nèi)所有區(qū)域（商鋪、辦公區(qū)域 等）的風機盤管設備均未實現(xiàn)遠程監(jiān)控，易出現(xiàn)無人 區(qū)域仍有制冷設備運行的情況，造成電能浪費。

　　目前航站樓內(nèi)照明系統(tǒng)的控制方式為時控，按照設定的時間表開啟和關閉。然而，實際上由于 航站樓規(guī)模超大、區(qū)域復雜，各個功能區(qū)域的照明需 求和條件不盡相同，按照時間表控制照明系統(tǒng)無法 更好地利用自然光，造成能源浪費。

　　1.3 變壓器容量過大導致能源浪費

　　根據(jù)現(xiàn)場實測，變壓器的實際運行負載率很低， 約為 30%。這也是目前航站樓供配電系統(tǒng)普遍存在 的問題之一，例如，廣州白云機場一號航站樓內(nèi)變壓器高運行負載率為 27.3%~36%，為設計值的 55%~ 72%[2]。此問題的根源在于，設計階段往往要考慮遠 期發(fā)展的需要，在負荷計算時所取的需要系數(shù)過大， 設計偏于保守，從而導致變壓器的設計容量過大。

　　變壓器容量過大，會導致變壓器的年運行費用 較高，造成能源浪費。主要體現(xiàn)在兩個方面：①變壓 器的空載損耗高，年電能損耗大。相同型號的變壓 器，其空載損耗功率一般和變壓器容量成正比。②變 壓器的年維護費用高。一般變電站的年維護費用取 變壓器初始投資成本的 1%，而變壓器的初始投資和 變壓器容量成正比[3]。

　　本文主要通過安裝智能儀表，對末端用電設備 進行監(jiān)測、控制，從而達到節(jié)能的目的，暫不研究更 換變壓器的節(jié)能效果。

　　2 借助智能儀表完善能源管理系統(tǒng)

　　針對航站樓內(nèi)電能浪費現(xiàn)象無法得到有力控制 的問題，擬通過研究航站樓內(nèi)現(xiàn)有供配電系統(tǒng)，有效 地在末端或者配電系統(tǒng)中增設智能監(jiān)測終端，再通 過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，將末端數(shù)據(jù)上傳至能源管理系統(tǒng)， 同時可以通過能源管理系統(tǒng)對末端設備進行電能監(jiān) 測和控制。因此，需構建涵蓋基礎設施層、系統(tǒng)平臺 層、軟件應用層的統(tǒng)一能源管理體系。

　　2.1 具體實現(xiàn)方法

　　（1）梳理航站樓現(xiàn)有供配電系統(tǒng)，通過增加智能 儀表、更換智能斷路器、更換智能末端等手段采集航 站樓所有用電設備的電能數(shù)據(jù)，并利用航站樓的有 線或無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸至能源管理系統(tǒng)。

　　（2）將現(xiàn)有的建筑設備監(jiān)控管理系統(tǒng)、電力監(jiān)控 管理系統(tǒng)、智能照明監(jiān)控管理系統(tǒng)通過集成接入航 站樓現(xiàn)有的能源管理系統(tǒng)。

　　航站樓物聯(lián)網(wǎng)機電運維管控平臺由軟件平臺、 數(shù)據(jù)集成接口、管理層網(wǎng)絡設備、無線接入網(wǎng)關和末 端設備組成。

　　2.2 航站樓智能儀表設計方案

　　（1）變配電室電力設備改造方案。目前變電室僅 對變壓器出線回路的電壓電流進行監(jiān)控，本次擬對所有出線回路安裝智能儀表進行監(jiān)控。 目前所有出 線回路均設置有電流表及電流互感器，將本回路斷 路器上口的三線電壓經(jīng)過保險端子接入智能儀表， 電流互感器二次端的電流接入智能儀表，斷路器開 關狀態(tài)輔助接點接入智能儀表遙信端子。智能儀表 通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳至能源管理系統(tǒng)。

　　（2）照明系統(tǒng)。照明配電系統(tǒng)（圖 1）設置有照明 總柜、層柜、照明配電箱及插座配電箱。

　　總柜及層柜均設置有進線互感器及進線電流 表，在進線加裝智能儀表，智能儀表加裝方案與變電 室的智能儀表加裝方案相同，數(shù)據(jù)傳輸采用無線傳 輸方案。末端配電箱進線為微型斷路器，安裝 2P 卡 軌型智能電表完成電力監(jiān)控改造，卡軌型智能電表 均為直通表，需將進線纜線接入卡軌型智能電表，利 用數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸。

　　（3）動力配電系統(tǒng)。動力總柜設置有進線互感器 及進線電流表，在進線加裝智能儀表，智能儀表加裝 方案與變電室的智能儀表加裝方案相同。層柜進線 未設置電流表及互感器，本次在進線處新增開口互 感器采集電流信號，智能儀表在柜門上開孔安裝。利 用數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸。

　　（4）空調(diào)配電系統(tǒng)。每個空調(diào)機組均自帶一個機 旁控制柜，空調(diào)總柜進線設置有電流表及互感器，進 線設置智能儀表，改造方案與前文設置電流表的配 電柜相同。出線每個空調(diào)機組在機旁控制柜內(nèi)新增 智能儀表，采用進線設置開口互感器的方式完成電 流信號采集，智能儀表安裝于柜門上，數(shù)據(jù)傳輸采用 無線傳輸。

　　3 能源管理系統(tǒng)的功能

　　能源管理系統(tǒng)的設計目標是實現(xiàn)對航站樓內(nèi)各 種能源消耗的監(jiān)測、控制及優(yōu)化，對關鍵能耗設備的 運行情況和能源管網(wǎng)的情況進行科學分析，以輔助 決策[4]。能源管理系統(tǒng)著重關注了 3個非常重要的問 題：監(jiān)測、分析和管理，這 3個問題也是一切節(jié)能手 段應用的基礎。

　　3.1 監(jiān)測

　　隨著計算機技術、網(wǎng)絡技術、現(xiàn)場總線技術和測 控技術的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的能源管理系統(tǒng)正向測控智能化、監(jiān)控無人值守化、信息交換網(wǎng)絡化的方向 發(fā)展。通過有線、無線網(wǎng)絡實現(xiàn) 24 h 全自動能源數(shù) 據(jù)采集，獲得準確的基礎能源數(shù)據(jù)，并依托數(shù)據(jù)存 儲技術，實現(xiàn)數(shù)據(jù)長期存儲，為能效分析打下堅實的 基礎。

　　3.2 分析

　　一方面，應用分項計量、設備故障查詢、能耗趨 勢預測等一系列手段，從能源數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫挖掘 出有效能源數(shù)據(jù)，分析能效關鍵指標，為制定節(jié)能方 案提供有效數(shù)據(jù)支撐；另一方面，通過系統(tǒng)漏洞尋 找、設備運行策略調(diào)整、用能時間優(yōu)化等手段，分析 能源問題點，為優(yōu)化節(jié)能方案以及用能管理制度提 供有效工具。

　　3.3 管理

　　節(jié)能目標的成功實現(xiàn)，不僅在于合理有效的節(jié) 能方案，更離不開良好的用能管理。通過能源績效管 理、能源審計、關鍵指標對比等手段，協(xié)助用戶進行 用能管理，使節(jié)能成果持久化，真正實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展 的目標。

　　4 能耗分析及預期效果

　　4.1 能耗對比分析

　　能源管理系統(tǒng)具備精細化的能耗分析管理功 能，可以提供單臺設備能耗數(shù)據(jù)，進行同類設備能耗 對比分析、同個設備不同時間段能耗對比分析以及 多維度的能耗數(shù)據(jù)分析，顯示各系統(tǒng)的用能情況、耗 能結構以及同比、環(huán)比情況。

　　4.2 能耗管理分析

　　能耗管理分析提供了用能趨勢分析、每日能耗 趨勢分析、用量分項用能分析等多種能耗數(shù)據(jù)分析 工具，通過曲線直觀展示各區(qū)域每天用能峰值、谷值 和分項用能等，找到各個區(qū)域的用能差異。根據(jù)系統(tǒng) 歷史耗能情況和用戶設定的計算條件，綜合分析預 測未來的能源使用情況。

　　4.3 能耗分析報表與數(shù)據(jù)展示

　　能源管理系統(tǒng)還可以生成各種能耗分析報表， 主要包含總能耗報表、分類能耗報表、分項能耗報 表、同比能耗報表、環(huán)比能耗報表、能源計劃報表、能 源計劃和實際對比報表、能源損耗報表。詳細用能動 態(tài)數(shù)據(jù)分析展示，采用直觀的圖形化界面（柱狀圖、 餅圖、線圖等呈現(xiàn)方式）來展示分析能耗數(shù)據(jù)，支持 逐日、逐周、逐月、逐年和自定義的自由查詢功能。統(tǒng)計報表，指多種方式的能耗值報告，如區(qū)域能 耗統(tǒng)計報表、能耗類型統(tǒng)計報表、日統(tǒng)計報表、月統(tǒng) 計報表、年統(tǒng)計報表、建筑總能耗統(tǒng)計報表、單位面積能耗報表等，可以幫助用戶掌握自身的能源消耗 情況，找出能源消耗異常值，并為能耗統(tǒng)計、能源審 計提供數(shù)據(jù)支持。

　　4.4 節(jié)電分析

　　（1）照明系統(tǒng)。影響照明系統(tǒng)電能消耗的主要指 標因素包括燈具的開啟數(shù)量、點亮時間、設計照度與 規(guī)范照度值等。燈具的開啟數(shù)量與照明回路的設計 有關，點亮時間與控制策略有關，設計照度與規(guī)范照 度值是實際使用與設計規(guī)范的調(diào)節(jié)問題。合理選擇 燈具開關時間，平衡規(guī)范照度與使用照度的調(diào)節(jié)關 系，合理設計照明回路都是照明系統(tǒng)節(jié)能的關鍵點[5]。

　　（2）空調(diào)系統(tǒng)。空調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能的方法如下：

　　①依據(jù)暖通送風的區(qū)域分析，分區(qū)設定環(huán)境溫度值，控制候機區(qū)環(huán)境溫度，對于次重要區(qū)域，通過空 氣能交換等實現(xiàn)環(huán)境控制，以降低風機運行速度，縮 短風機運行時間。②根據(jù)季節(jié)溫度特性調(diào)節(jié)空調(diào)機 組的運行時間。③根據(jù)室外溫度調(diào)節(jié)變頻空調(diào)的送 風頻率和運行時間。

　　（3）節(jié)電效果預估。該機場航站樓電費占能源 費用的 36%，約為 2.0億元，能耗為 2.0億 kW·h，平 均 1.00元/kW·h。通過估算，本項目每年可節(jié)省電 費 1 961.6萬元，有良好的節(jié)電效果。

　　5平臺設計與功能

　　5．1系統(tǒng)平臺設計

　　智慧能源管理平臺采用去中心化的分布式網(wǎng) 絡構架設計如圖 2 所示，采用 B / S 模式，實現(xiàn)云端建模、設計及部署，簡化了客戶端的維護工作，為 以業(yè)務模式為基礎的功能模塊擴展提供軟件支撐 基礎。滿足集團海量實時數(shù)據(jù)地存儲和處理的要 求，存儲在系統(tǒng)中的歷史數(shù)據(jù)可不會刪除，系統(tǒng)不 會因為數(shù)據(jù)量的攀升影響到存儲和訪問速度。遵 循系統(tǒng)應用插件規(guī)范進行二次開發(fā)，開發(fā)的功能 模塊插件可無縫配置到應用界面中使用。

　　5．2 系統(tǒng)實施

　　每家工廠實施能碳管理系統(tǒng)建設，首先是制 定出符合管理要求的能碳管理架構，該架構可以 隨著管理需求的變化而靈活調(diào)整。能碳管理架構 可按照廠區(qū)、車間、生產(chǎn)線進行配置，將能耗數(shù)據(jù) 與管理架構進行對應關聯(lián)，展示出能源管理的范圍和深度。

　　功能

　　AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理系統(tǒng)提供基于行業(yè)特點細分的能效管理解決方案，支持有線/無線方案接入各類智能設備，并提供多種第三方系統(tǒng)接口協(xié)議，融合企業(yè)微電網(wǎng)電力監(jiān)控、能耗統(tǒng)計、電能質(zhì)量分析及治理、智能照明控制、主要用能設備監(jiān)控、充電樁運營管理、分布式光伏監(jiān)控、儲能管理等功能，通過一個平臺即可全局、整體的對企業(yè)電網(wǎng)進行進行集中監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一運維，滿足企業(yè)用電可靠、安全、節(jié)約、有序用電要求。平臺支持中英文切換，現(xiàn)已應用于多個行業(yè)和地區(qū)用戶側能源管理和電力運維平臺，單個平臺已接入1600多個用戶變電所數(shù)據(jù)，提供能源分析和運維管理功能。

圖3AcrelEMS能效管理平臺應用

　　電力監(jiān)控

　　對企業(yè)高低壓變配電系統(tǒng)的變壓器、斷路器、直流屏、母排、無功補償柜及電纜等配電相關設備的電氣參數(shù)、運行狀態(tài)、接點溫度進行實時監(jiān)測和控制，監(jiān)測企業(yè)微電網(wǎng)主要回路的電能質(zhì)量并進行治理，對故障及時處理并發(fā)出告警信息，提高企業(yè)供電可靠性。

圖4電力監(jiān)控功能

　　能耗分析

　　采集企業(yè)電、水、燃氣等能源消耗，進行分類分項能耗統(tǒng)計，計算單位面積或單位產(chǎn)品的能耗數(shù)據(jù)以及趨勢，對標主要用能設備能效進行能效診斷，計算企業(yè)碳排放，為企業(yè)制定碳達峰、碳中和路線提供數(shù)據(jù)支持。

圖5能耗分析功能

　　照明控制

　　智能照明控制功能可以根據(jù)企業(yè)情況實現(xiàn)定時控制、光照感應控制、場景控制、調(diào)光控制等，并結合紅外傳感器、超聲波傳感器，實現(xiàn)人來燈亮、人走燈滅，并可以根據(jù)系統(tǒng)的控制策略實現(xiàn)集中控制，為企業(yè)節(jié)約照明用電。

圖6照明控制功能

　　分布式光伏監(jiān)控

　　監(jiān)測企業(yè)分布式光伏電站運行情況，包括逆變器運行數(shù)據(jù)、光伏發(fā)電效率分析、發(fā)電量及收益統(tǒng)計以及光伏發(fā)電功率控制。

圖7分布式光伏發(fā)電監(jiān)測

　　儲能管理

　　監(jiān)測儲能系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)(BMS)和儲能變流器(PCS)運行，包括運行模式、功率控制模式，功率、電壓、電流、頻率等預定值信息、儲能電池充放電電壓、電流、SOC、溫度，根據(jù)企業(yè)峰谷特點和電價波動以及上級平臺指令設置儲能系統(tǒng)的充放電策略，控制儲能系統(tǒng)充放電，實現(xiàn)削峰填谷，降低企業(yè)用電成本。

圖8儲能管理

　　充電樁運營管理

　　監(jiān)測企業(yè)充電樁的運行狀態(tài)，提供充電樁收費管理和狀態(tài)監(jiān)測功能，并根據(jù)企業(yè)負荷率變化和虛擬電廠的調(diào)度指令調(diào)節(jié)充電樁的充電功率，使企業(yè)微電網(wǎng)穩(wěn)定安全運行。

圖9充電樁管理

　　自定義駕駛艙

　　可根據(jù)用戶的關注點自行繪制所需的駕駛艙頁面，包括能源預收費、充電樁運營、電梯、空調(diào)、照明等各種設備的能耗統(tǒng)計、收益統(tǒng)計、運維情況等。

圖10能源物聯(lián)網(wǎng)駕駛艙定義

　　數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)監(jiān)測

　　實時監(jiān)測各配電柜的電壓、電流等電力參數(shù)，實現(xiàn)遙測、遙信、遙控。實時監(jiān)測各配電室溫濕度、煙感、水浸等環(huán)境參數(shù)。監(jiān)視變壓器的運行狀態(tài)及用能參數(shù)，測算損耗，找出經(jīng)濟運行區(qū)間，降低能源損耗。

圖11數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測

　　能耗統(tǒng)計分析

　　主要是對能耗的數(shù)據(jù)、能耗分項以及區(qū)域能耗和能耗指標等進行統(tǒng)計。其中還包含總能耗定比,也就是指實際消耗的能量所占據(jù)總能量的百分比,并利用各種圖形的方式進行表示，用于綜合能耗分析。

圖12能耗統(tǒng)計分析

　　電氣和消防安全管理

　　接入電氣火災探測器、無線測溫傳感器、智能斷路器等設備，對配電回路的剩余電流、線纜溫度等火災危險參數(shù)進行實時監(jiān)控和管理。在消防水池、消防水箱等地方安裝消防水位表，檢測消防水位的變化；消防水管、噴淋等地方安裝消防水壓表，檢測消防管道的壓力。在家庭、賓館、公寓等存在煙霧、可燃氣體的室內(nèi)場所，安裝獨立式煙感或可燃氣體探測器，檢測這些場所是否存在煙霧和可燃氣體。

圖13電氣消防安全管理

　　能源收費管理

　　適用于物業(yè)租賃方對出租物業(yè)的能源收費管理，支持水電一體化收費管理，具備租戶開戶、銷戶、退差操作，支持分時電價和階梯電價設置和功率過載閾值設置，可對接支付應用程序?qū)崿F(xiàn)自助支付。

圖14能耗收費管理

　　充電樁運營管理

　　當用戶要管理多個充電站的充電樁時可把充電樁自助接入平臺，實現(xiàn)對充電樁狀態(tài)的監(jiān)測和掃碼、刷卡充電收費管理。在用電高峰期如充電負荷過高超出供電變壓器承受范圍還可以自動設置充電功率限制或新增充電限制，或投入新能源，確保能源供應安全。

圖15充電樁運營管理

　　照明控制管理

　　可遠程控制照明設備的開關，并可以根據(jù)光照度、經(jīng)緯度日出日落時間和時間設置策略來自動控制燈光，節(jié)約照明能源。

圖16照明控制管理

　　碳排放分析

　　統(tǒng)計用戶的碳排放量并追蹤碳排放足跡，提供碳排放清單，進行配額核算和配額考核。

圖17碳排放分析

　　4.3硬件設備組成

　　不同工業(yè)及能源企業(yè)的智能化能源管理系統(tǒng)，通常為環(huán)形網(wǎng)絡連接、星形網(wǎng)絡連接的結構，形成層級式連接的工業(yè)環(huán)網(wǎng)，其中管控中心主站點負責下屬多個子站的控制，具體能源管理系統(tǒng)的子站環(huán)網(wǎng)結構如下圖2所示。

　　5、結論

　　本文結合某機場能源管理提升改造工程的實際 案例，分析總結了智能儀表在能源管理提升中的應 用，應用本文總結的技術方案，可以取得良好的節(jié)能 效果。目前我國有許多有類似需求的航站樓，希望本文對相關工程設計能起到參考作用。

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